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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist ein Dichtheitskontrollverfahren für Behälter aus
verformbarem, biegsamem, weichem und flexiblem Kunststoff (zum Beispiel
auch Bricks), welche eine Flüssigkeit
oder Feststoffe enthalten. Insbesondere bezieht sich die Erfindung
auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für Behälter, welche eine durch eine hochfrequenz-
oder thermoverschweisste Kappe oder Folie verschlossene Öffnung aufweisen.
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Das
Verfahren testet und prüft
die Unversehrtheit des dichten mit den oben genannten Elementen
hergestellten Verschlusses, wodurch der einwandfreie Zustand des
darin enthaltenen Produktes gewährleistet
ist.
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Neben
Testzwecken kann das betreffende Verfahren auch zur Überprüfung des
Innendrucks des enthaltenen Fluids oder der Flüssigkeit zum Einsatz kommen.
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Das
Verfahren wird aber auch zur Prüfung von
Undichtheiten am restlichen Behälter
eingesetzt, sowohl Luft- als auch Flüssigkeitsleckagen.
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Zur
Erfassung von Flüssigkeitsverlusten
sind grössere
Löcher
notwendig oder es ist ein vorhergehendes Zusammendrücken vorzusehen,
zum Beispiel an dem Ausgangskarussell, das vor der Prüfeinrichtung
nach dem erfindungsgemässen
Verfahren angeordnet ist.
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Vorzugsweise
werden biegsame Behälter aus
Kunststoff bevorzugt.
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In
vielen Industriebereichen, von der Abfüllung bis zur Pharmazeutikbranche,
sind Prüfungen der
Dichtheit und des Innendrucks wichtig, um die Endqualität des enthaltenen
Produktes zu gewährleisten.
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Gegenwärtig sieht
die Technik verschiedene Verfahren und Vorrichtungen zur Durchführung der oben
genannten Schritte vor.
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Aus
US 6,918,285 geht eine Vorrichtung
zur Erfassung der Dichtheit hervor, die im wesentlichen mit Dehnungsmessern
ausgestattet ist, welche beim Durchtritt des Behälters betätigt wird; aufgrund des erfassten
Wertes der auf dem inneren Gegendruck des Behälters beruhenden Kraft wird
bestimmt, ob der Behälter
für den
Gebrauch geeignet ist oder nicht.
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Ein
weiteres Verfahren ist in
US
5,767,392 beschrieben, bei dem die Dichtheitsprüfung erfolgt, indem
der Behälter über eine
bestimmte lineare Strecke (durch ein Bahnpaar) zusammengedrückt, der Kompressionsdruck
weggenommen und die Fähigkeit
des gequetschten Behälters
gemessen wird, in seine ursprüngliche
Form zurückzukehren.
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Aus
US 6,427,524 geht hingegen
ein Prüfverfahren
mit einer Vielzahl von längs
einer linearen Kompressionsstrecke des Behälters angeordneten Lastzellen
hervor; aufgrund des von den Lastzellen erfassten Verlaufs des Innendrucks
wird eine eventuell vorhandene Leckage durch den dichten Verschluss
des Behälters
erfasst.
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Aus
der Patentschrift
US 4,862,732 geht
eine Anordnung zur Dichtheitsprüfung
hervor, bei der durch Zusammendrücken
durch einen oder mehrere Pneumatikzylinder in dem Behälter ein
Druck aufgebaut wird.
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Aufgrund
der von dem Zylinder eingenommenen Stellung, die von dem Gegendruck
des Behälters
abhängt,
wird auf den Quetschungsgrad und damit auf einen möglichen
Flüssigkeitsdurchtritt
oder -verlust geschlossen.
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Die
oben genannte Schrift zeigt ferner eine Quetschvorrichtung, die
aus einem Paar Antriebsräder
und einem Fördermittel
besteht, mit dem die zu kontrollierenden Behälter durch die Räder hindurch geführt werden:
durch Erfassung der von einer Lastzelle oder von einem an einem
der Räder
angeordneten Dehnungsmesser erfassten Verformung soll mit dieser
Anordnung die Dichtheit des Behälters
genau festgestellt werden.
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Ein
erster Nachteil der Signalerfassung durch die Lastzelle liegt in
der Art des entstehenden Signals: beim Zusammenquetschen steigt
der Druck in dem Behälter
an, erreicht einen Höchstwert
und nimmt dann mit einem ungefähr
symmetrischen Verlauf wieder ab.
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Ein
Dehnungsmesser liefert daher eine Kurve mit glockenförmigem Verlauf.
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Die
Grösse
der beim Antrieb erfassten Kraft ist hingegen anders: im Anfangsbereich
entspricht sie der von den Dehnungsmessern erfassten Kraft, während die
Motorleistung im Ausgangsbereich niedriger ist, wenn die Flasche
dicht verschlossen ist, weil der Gegendruck der Flasche dieser hilft,
sich der Quetschung zu entziehen.
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Hat
die Flasche ein Loch, dann ist diese Hilfe kleiner und die in dem
Endbereich von dem Motor aufgebrachte Leistung grösser.
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Eine
mit Dehnungsmessern arbeitende Anordnung ist ausserdem langsamer
und daher weniger empfindlich.
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Mit
der mit Quetschrädern
ausgestatteten Anordnung könnten
zwei wichtige von dem Behälter verursachte
Druckwerte erfasst werden, die bei einer gemeinsamen Auswertung
die Bestimmung der Dichtheit verbessern.
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Aufgabe
des vorliegenden Verfahrens ist es, den oben genannten Nachteil
zu beseitigen, indem ein Erfassungsverfahren zur Verfügung gestellt
wird, welches mit Signalen arbeitet, die direkt durch einen oder
mehrere Arbeitsparameter des die Quetschelemente in Drehung versetzenden
Elektromotors gewonnen werden.
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Zum
Beispiel kann die Grösse
des Stroms des Elektromotors erfasst werden, da der Stromverbrauch
des Motors beim Durchtritt des Behälters nicht konstant verläuft.
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Ein
weiterer Nachteil der Erfassung durch Lastzellen besteht darin,
dass kleinere Löcher
an dem Behälter
oder der Verschlusskappe nicht erfasst werden können. Die Werte des in zwei
Behältern
hervorgerufenen Gegendrucks unterscheiden sich zweifelsohne auch
je nach ihrem unterschiedlichen Füllgrad voneinander.
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Es
ist möglich
nachzuweisen, und dieser Nachweis geht aus den auf den folgenden
Seiten dargestellten Beispielen hervor, dass ein um einen Millimeter
von einem Standardbezugswert abweichender Füllstand eine Spitzenveränderung
der Grösse
herruft, die einem Loch von einem Zehntel Millimeter Grösse entspricht.
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Daraus
folgt, dass kleinere Löcher
mit geringen Füllstandsänderungen
verwechselt werden könnten,
welche normalerweise toleriert werden, da alle Abfüllmaschinen
Fehler dieser Art aufweisen.
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Eine
weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das oben
genannte Problem zu beseitigen, indem ein Verfahren und eine Vorrichtung zur
Dichtheitsprüfung
der Behälter
zur Verfügung
gestellt wird, das neben der Gewinnung des Drucksignals auch dessen
Korrektur abhängig
von dem effektiven Flüssigkeitsstand
des kontrollierten Behälters vorsieht.
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Wird
die Anordnung mit einer vorherigen Prüfung des in der Flasche enthaltenen
Flüssigkeitsstandes
kombiniert, kann der von der Lastzelle erfasste Wert des Gegendrucks
korrigiert werden, wodurch mögliche
auf eine nicht korrekte Befüllung
zurückgehende
Fehler ausgeschlossen werden können.
Das Drucksignal kann weiterhin von einer Lastzelle bekannter Art
gewonnen werden oder es kann gemäss
einer weiteren Ausführungsvariante
der Maschine die Gewinnung eines Drucksignals vorgesehen sein, welcher
Druck von einem an dem Aussenumfang der Kompressionselemente angeordneten Luftring
hervorgerufen und von einem entsprechenden Druckaufnehmer erfasst
wird.
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Ein
weiterer Nachteil bezieht sich auf die Geschwindigkeit des Behälters zwischen
den Kompressionselementen, wobei insbesondere hervorzuheben ist,
dass die Empfindlichkeit der Anordnung bei Ansteigen der Geschwindigkeit
bei gleicher durchlaufender Flasche abnimmt; die Anordnung übt beim
Zusammendrücken
der Flasche eine geringere Kraft aus, da die Bewegungsenergie der
Flasche sowie das Trägheitsmass
der vorgesehenen Motor/Untersetzungseinheit steigt.
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Dieses
Problem wird mit der vorliegenden Erfindung durch Einführung einer
Anordnung gelöst, die
bei Ansteigen der Geschwindigkeit das Mass der Quetschung erhöht. Dies
er folgt durch entsprechende angetriebene Schlitten, welche die Kompressionselemente
einander nähern
und voneinander entfernen.
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Neben
dem Einsatz zur Geschwindigkeitskorrektur kann die oben genannte
Anordnung vorteilhafterweise zur Durchführung eines automatischen Formatwechsels
benutzt werden: bei Herstellungsbeginn eines neuen Formats liest
der Bediener den entsprechenden Code ab und die Anordnung stellt den
Abstand automatisch ein.
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Das
Dichtheitsprüf-
und kontrollverfahren, welches Gegenstand der vorliegenden Erfindung
ist, zeichnet sich durch die Merkmale der beiliegenden Ansprüche aus.
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Diese
und weitere Merkmale gehen aus der folgenden Beschreibung verschiedener
Ausführungsformen
näher hervor,
welche rein beispielsweise und nicht beschränkend in den beiliegenden Zeichnungen
dargestellt sind, es zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf ein Beispiel einer Vorrichtung zur Dichheitskontrolle
und -prüfung
für Behälter, mit
dem das betreffende Verfahren durchgeführt wird;
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2 eine
Vorderansicht der Vorrichtung von 1;
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3 ein
Beispiel für
einen möglichen
Verlauf bei der Messung einer der Arbeitsparameter des Elektromotors
der Vorrichtung von 1;
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4A die
erfassten Verläufe
des Gegendrucks im Verhältnis
zu der Grösse
des Loches an dem Behälter;
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4B die
erfassten Verläufe
des Gegendrucks im Verhältnis
zu dem Füllstand
in dem Behälter;
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5A und 5B zwei
Anwendungsvarianten der des Erfassungsverfahrens mit Luftrad;
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6 eine
Ausführungsvariante
des erfindungsgemässen
Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung;
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7 eine
weitere Ausführungsvariante
des Verfahrens und der entsprechenden Vorrichtung.
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In
den 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel
einer Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemässen
Verfahrens dargestellt, wobei im Einzelnen mit dem Bezugszeichen 1 ein
Behälter
gekennzeichnet ist, der oberseitig von einer Kappe oder Dichtfolie 2 verschlossen
ist.
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Der
Behälter 1 wird
auf einem Fördermittel, insbesondere
einer Bahn 3, gefördert
und auf seinem Weg durch ein Paar Kompressionselemente 4 hindurchgeführt.
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Die
Kompressionselemente 4 bestehen aus zwei mit einer Antriebswelle 5 verbundenen
Rädern, welche
Welle ihrerseits über
eine Flanschverbindung 7 mit einem Elektromotor 6 verbunden
ist.
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Die
Kompressionselemente 4 drücken den Behälter 1 bei
gleichzeitiger Drehung zusammen, da die lichte Weite L des Durchtritts
durch die Elemente 4 unter dem grössten Durchmesser des Behälters 1 an
dem Berührungspunkt
liegt.
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Daher
reagiert der Behälter 1 bei
seinem Verschieben auf der Bahn 3 je nach Dichtheitsgrad der
Kappe 2 mit einem inneren Gegendruck, wodurch die Arbeitsparameter
des entsprechenden Elektromotors verändert werden.
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Aufgrund
der Abfrage dieser Arbeitsparameter kann die Festellung erfolgen,
ob der geprüfte
Behälter 1 vollkommen
dicht verschlossen ist oder nicht.
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Die
erfassten Arbeitsprameter des Elektromotors 6 sind: das
Drehmoment, seine Leistung, die Stromstärke, die Spannung, die Drehzahl
bei Durchtritt des Behälters 1 durch
die Kompressionselemente 4, die Gleitfrequenz (bei asynchronen
Motoren), die Änderung
der Geschwindigkeit und der Beschleunigung.
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Die
oben genannten Parameter werden von entsprechenden Sensoren erfasst
und einer Datenverarbeitungsovrrichtung E zugeführt, welche Erfassungsdiagramme
bzw. -tabellen im Verhältnis
zu der Zeit oder dem Vorschub des Behälters zwischen den Kompressionselementen 4 erstellt.
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Ein
Beispiel eines Diagramms, das auf der Abfragung einer der oben genannten
Arbeitsparameter beruht ist in 3 dargestellt,
aus der der Verlauf während
des Durchtritts eines Behälters 1 hervorgeht.
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Zunächst ist
festzustellen, dass das Diagramm zum Zeitpunkt der grössten Quetschung
eine Spitze A aufweist diese Spitze ist auf die höhere Leistung
zurückzuführen, die
dem Elektromotor 6 abverlangt wird.
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Darauf
ist gleich nach der Spitze A ein mit C gekennzeichneter Bereich
zu erkennen, der als Freigabepunkt bezeichnet wird, an dem der Arbeitsparameter
unter den normalen Mittelwerten liegende Werte aufweist; dies ist
im wesentlichen darauf zurückzuführen, dass
der Motor in dem Moment, wo der dicht verschlossene, also einen
Gegendruck herstellende Behälter
versucht, von den Elementen 4 freizukommen, weniger Leistung
aufbringen muss.
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Aufgrund
der Auswertung der oben genannten Punkte (der Spitzenpunkt A und
der Freigabepunkt C), die mit entsprechenden Spitzen- B und Freigabepunkten
D eines vollkommen dicht verschlossenen vorher geprüften Bezugsbehälters verglichen
werden, kann die Auswertung zur Eignungsfeststellung des geprüften Produktes
erfolgen.
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Zweckmässigerweise
stimmen die genannten Vergleichspunkte B und D mit den Mittelwerten mehrerer
Spitzen- und Freigabewerte mehrerer dicht verschlossener Behälter überein.
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Eine
Ausführungsvariante
des beschriebenen Verfahrens sieht vor, ein vorhergehendes Zusammendrücken mit
dem zu kontrollierenden Behälter 1 durchzuführen.
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Dieser
vorhergehende, eine Vorkompression bewirkende Schritt wird durchgeführt, bevor
der Behälter 1 durch
das Paar Kompressionselemente 4 hindurchgeführt wird.
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Beispielsweise
könnte
am Ausgang des Karussells der Verschlussmaschine eine Gegenführung vorgesehen
werden; die Gegenführung
zwängt
den von dem Karussell mitgenommenen Behälter ein, wodurch die erwünschte Wirkung
erzielt wird. Hierzu ist die Gegenführung vorzugsweise wie der
dem Behälter
von dem Karussell vorgegebene Weg kreisbogenförmig ausgebildet.
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Weitere
Beispiele für
Anordnungen zur Durchführung
der Vorkompression sind lineare Bahnen oder Führungen, welche vor dem Elementepaar 4 zur
Wirkung kommen.
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In 6 ist
eine Anwendungsvariante mit mehreren Quetschelementen 4 dargestellt 4:
die Erfassung der Arbeitsparameter kann hier je nach Erfordernis
an allen oder nur an einigen, insbesondere an den letzten Elementen
erfolgen. Ferner kann bei zwei oder mehreren Quetschpaaren ein Ver gleich der
Abnahme des Behältergegendruckes
erfolgen, so dass kleinere Undichtheiten festgestellt werden können. Die
Verarbeitung und Auswertung der gewonnenen Daten kann erfolgen,
indem die folgenden an jedem Behälter
durchgeführten
Erfassungen zur Eignungsbestimmung des Behälters miteinander kombiniert
werden.
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Die
erfassten Daten, insesondere die Spitzenwerte (A) der Arbeitsparameter
der Motorisierungen können
abhängig
von der Abweichung von dem Bezugsstandardwert des Füllstands
korrigiert werden, welche beliebig vor oder nach der genannten Quetschung
gemessen wird.
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In
den 4A und 4B sind
die von einem Dehnungsmesser (oder einer Lastzelle) gemessenen Höchstwerte
des Gegendrucks beim Durchtritt des Behälters durch Kompressionselemente
nach dem Stand der Technik dargestellt.
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Beide
Verläufe
sind wie zu erwarten linear, bei dem Diagramm von 4B,
in dem der Druck über
dem Füllstand
dargestellt ist, hat jedoch eine Füllstandsänderung von 1 mm eine Änderung
von 33 Millibar zur Folge, während
in dem Diagramm von 4A, in dem der Druck über dem
Lochdurchmesser dargestellt ist, die gleiche Grössenordnung bereits durch ein
Loch von 0,1 mm verursacht wird.
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Da
sich Füllstandsänderungen
von einigen Millimetern über
oder unter dem Bezugsfüllstand
entsprechen und tolerierbar sind, ist die Anordnung mit einem einzigen
Sensor mit Lastzelle nicht in der Lage, festzustellen, ob die Änderung
auf den Füllstand oder
ein Loch zurückzuführen ist,
so dass kleinere Löcher
nicht erkannt werden und die Genauigkeit nicht angemessen ist.
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Zur
Beseitigung dieses Nachteils berücksichtigt
das erfindungsgemässe
Verfahren neben der Quetschung auch den Füllstand, und zwar vor oder nach
der Messung der Quetschung, so dass im Falle von Sensoren mit Lastzelle
die gewonnenen Werte mit den vorher erfassten Füllstandsbezugwerten korrigiert
werden, wodurch mögliche
Ungenauigkeiten bei der Bestimmung des Fehlers ausgeschlossen werden
können.
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In
den 5A und 5B ist
eine Variante des oben genannten Verfahrens dargestellt; aus diesen
Figuren ist ersichtlich, dass eines der Räder 4 an seinem Umfang
mit einer Art Luftring 20 versehen ist, dessen Innenraum
Luft oder eine nicht komprimierbare Flüssigkeit enthält.
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Die
nicht komprimierbare Flüssigkeit
dient dazu, die Druckmessung empfindlicher zu gestalten; zur Verringerung
der Gefahr von Leckagen kann die Befüllung mit einer dichten Flüssigkeit
erfolgen. Natürlich
darf die Flüssigkeit
keinerlei Luft enthalten und sollte gegebenenfalls unter leichtem Überdruck
stehen.
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Der
Druck des Ringes 20 wird von einem Messaufnehmer gemessen,
der an dem den Ring 20 tragenden Rad 4 angeordneten
ist.
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Der
Luftring 20 ist weich aber auch aus einem Material hergestellt,
dass waschbar ist und eine hohe Lebensdauer aufweist.
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Der
Messaufnehmer sendet das gewonnene elektrische Signal an die Aussenseite
des Rades 4, zum Beispiel über einen Drehkollektor, der
an der Antriebswelle des Rades 4 angebracht ist, mit einem Reaktionsarm.
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Der
Luftring 20 könnte
eine Art Luftkammer mit zwei Anschlüssen darstellen, wobei der
eine mit einem Ventil zur druckbeaufschlagten Befüllung ausgestattet
ist und der andere der Verbindung mit dem Messaufnehmer dient.
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Die 5A und 5B unterscheiden
sich durch die unterschiedliche Befestigungstechnik des Ringes 20 an
dem Kompressionselement 4.
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In
den oben gezeigten Beispielen können
die Radantriebe aus gewöhnlichen
asynchronen Motoren bestehen; bei einer Ausführungsvariante kann vorgesehen
sein, nur ein Rad anzutreiben, wobei das andere Rad über ein
mechanisches Getriebe gekoppelt wird.
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Bei
allen dargestellten Beispielen sind die Räder 4 mit einem Oberzug
aus Gummi oder Kunststoff versehen, um die Reibung mit dem Behälter zu fördern.
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Gemäss einer
in 7 dargestellten Ausführungsvariante kann vorgesehen
sein, nur ein Element der oben genannten Elementepaare in Drehung
zu versetzen, während
das andere stillsteht, wobei der Behälter dann gleichzeitig mit
der Kompression gedreht wird. Die Vorteile einer solchen Ausführung liegen
in den geringeren Kosten der Anlage und in der grösseren Wirkung
auf den Behälter.
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Zur
Gewährleistung
einer guten Stabilität des
Behälters
am Ausgang könnte
die Mitnahme- und Drehgeschwindigkeit des Behälters herabgesetzt werden.
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Gemäss einer
weiteren Variante kann der Vergleich und die Prüfung bei dem Verfahren durch Vergleichen
der Steilheit der Kurven erfolgen, welche zwischen dem geprüften Behälter und
den dicht verschlossenen vorab getesteten Behältern be stehen, und nicht nur
der Spitzenwerte.